基于VERICUT仿真和優化的復雜曲面加工策略研究*

陳曉曉 趙 軍 李月恩② 韓式國 曹清園

(①山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061;②山東建筑大學藝術設計學院，山東濟南 250010)

模具工業是制造業中的重要分支。現代模具制造中，型面設計日趨復雜，自由曲面的應用不斷增加，模具制造精度要求逐漸提高，用戶需求多樣化，產品生命周期縮短，這對模具加工提出了更高的要求［1］。數控系統、數控機床、刀具技術、CAD/CAM軟件等的不斷發展，給模具高速加工注入了新的動力。

本文結合人面模具數控加工程序的編制，分析了復雜曲面模具的加工策略，并采用數控加工仿真系統軟件VERICUT進行數控程序的模擬、驗證、切削速度優化，提供了模具加工的系統性方法。

1 加工對象的建立

使用UG進行數控加工編程的一般流程為，第一步:使用UG或其他CAD軟件造型，建立待加工工件及毛坯;第二步:初始化加工環境;第三步:工藝分析及規劃;第四步:建立加工用刀具、加工方法、加工操作等，計算生成刀具軌跡;第五步:后處理，將刀具軌跡轉化為特定數控機床能識別的NC代碼。

圖1所示為人面模具，作為數控加工編程的加工工件。毛坯長、寬、高分別為203 mm、161 mm、56 mm。

2 加工工藝分析及規劃

2.1 粗加工

粗加工以提高加工效率為目標，要求采用大的材料切除率。因此應采用直徑盡量高的刀具，盡量大的加工速度，但必須綜合考慮刀具性能、工件材料、機床負載及損耗。一般來說，粗加工的刀具直徑、切削深度和步進距離較大，而受機床負載能力的限制，切削速度和主軸轉速較低。

粗加工大多數情況下使用型腔銑(CAVITY MILL)，故第1次粗加工采用型腔銑，加工刀具為直徑25 mm的平頭立銑刀ED25，加工余量為1 mm。

2.2 半精加工

半精加工以保證精加工前工件上所有需精加工區域的余量均勻為目標。由于采用大直徑刀具進行型腔銑在非陡峭面上切削，各切削層之間會留下臺階，可能存在大直徑刀具無法加工到的角落、凹谷或窄槽，因此需進行半精加工［2］。

因第1次加工后殘留待加工材料較多，故第2次、第3次加工均采用型腔銑，使用“IPW”功能。加工刀具分別為直徑20 mm的球頭銑刀ED20BR10和直徑10 mm的球頭立刀 ED10BR5，加工余量分別為0.5 mm、0.25 mm。

IPW即殘留毛坯。工件是由毛坯經過若干道工序加工而成的，在每道工序后都會有一個IPW。利用IPW計算刀軌是數控加工發展的一個方向。采用IPW功能，以上一道工序加工完成后的殘留毛坯為基準計算下一道工序的刀軌，可以去除空刀，提高加工效率［2］。

圖2、圖3所示分別為第2次、第3次加工后殘留毛坯。可以看出第3次加工后余量已基本均勻。

圖4所示為第3次加工后鼻子部位刀軌痕跡。

2.3 精加工

精加工以保證高的加工表面質量為目標。通常曲面精加工都采用固定軸曲面輪廓銑(Fixed contour)，設置較大的每齒進給量、主軸轉速、較小的切削深度和切削寬度;也可采用型腔銑進行粗加工、半精加工、精加工。

本例采用型腔銑進行精加工，使用“IPW”功能。加工刀具為直徑10 mm的球頭銑刀ED10BR5，加工余量為0 mm。

第4次加工后殘留毛坯更接近真實零件，但仍存在10 mm球頭銑刀未加工到的區域，故需采用小直徑刀具清除大直徑刀具未加工到的區域。第5次、第6次加工均采用型腔銑，使用“參考刀具”及“IPW”功能，加工刀具分別為直徑4 mm的球頭銑刀ED4BR2和直徑2 mm的球頭銑刀ED2BR1。參考刀具功能如圖5所示。

2.4 清角加工

采用固定軸曲面輪廓銑的清根切削驅動方式進行清角加工。清根切削驅動方式是一種比較智能化的生成刀軌的驅動方式，系統自動沿工件的凹角與凹谷生成驅動點，在此區域生成刀位軌跡。

第7次、第8次加工均采用固定軸曲面輪廓銑清角切削驅動方式，加工刀具分別為直徑2 mm的球頭銑刀ED2BR1和直徑1 mm的球頭銑刀ED1BR0.5。

圖6、圖7分別為第7次、第8次清角加工刀軌。

3 VERICUT仿真、驗證、優化

后處理生成CLS文件和NC文件，在VERICUT中仿真、驗證數控程序。圖8為APT－CLS刀軌仿真、驗證;圖9a為NC程序機床系統仿真，9b為局部放大圖，可驗證程序正確性及安全性，避免加工系統干涉、過切等錯誤的產生。

利用刀具優化庫，基于切削條件和材料去除率可自動地優化進給速度［3］。本文采用恒定體積切除率模式優化數控程序。優化前后數控程序運行時間(表1)分別為483.09 min、247.44 min，節省時間48.78%。可看出優化后加工效率大幅提高，并可保證較穩定的體積去除率，避免沖擊載荷，提高加工質量［4］。

表1 優化前后各刀具用時對比表

4 結語

利用CAM軟件進行復雜曲面模具的數控加工編程，并利用數控加工仿真系統VERICUT進行數控程序的仿真、驗證、優化，利用計算機輔助設計、制造一體化，使整個加工過程具有前瞻性，確保數控程序的安全性和高效性。為實現加工質量、加工效率、加工成本整體最優化，必須綜合考慮刀具、切削參數的選擇、工藝過程的規劃等，并充分發揮CAD/CAM軟件的作用，更好地實現模具高速加工。

［1］盛曉敏，鄧朝暉，楊旭靜，等.先進制造技術［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［2］羅和喜.UGNX4中文版數控加工專家實例精講［M］.北京:中國青年電子出版社，2007.

［3］李云龍，曹巖.數控機床加工仿真系統VERICUT［M］.西安:西安交通大學出版社，2005.

［4］楊勝群，唐秀梅，李克安，等.VERICUT數控加工仿真技術［M］.北京:清華大學出版社，2010.